Tommaso Dorigo
INFN, sezione di Padova
L’esplorazione del
microcosmo con gli
acceleratori di particelle
Liceo Tiziano - Belluno, 13 febbraio 2015
Breve introduzione
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La dote fondamentale di un ricercatore non è tanto quella di saper trovare
risposte, ma di sapersi porre le domande giuste
Di cosa è fatto il mondo ? Cosa lo tiene insieme ?
Democrito, nel IV secolo a.C., ipotizza che la materia sia fatta di atomi, (“che
non possono essere tagliati”) dotati di dimensioni, forma, e peso diversi, e
vuoto tra essi.Tutte le proprietà della materia che sperimentiamo sono dovute
alle interazioni fra essi.
Democrito ha ragione. Ma per rispondere alla domanda un po’ più in dettaglio
dobbiamo trovare i costituenti davvero elementari della materia, e capire
come interagiscono per creare l’incredibile varietà del nostro mondo.
Cosa vuol dire “elementare” ?
– Elementare:
• semplice
• che non ha struttura
• che non può essere ulteriormente semplificato,
o suddiviso in parti più semplici
– Elementare:
• che rappresenta l’ingrediente base di tutto
Particelle e forze
•
Se scopriamo che la materia è fatta di un certo numero di particelle
elementari, non abbiamo spiegato ancora quasi nulla…
Serve una precisa comprensione del modo in cui esse interagiscono, come
si combinano per creare ciò che ci circonda
•
Scopriremo che le possibili interazioni tra le particelle sono dovute alla
propagazione di forze dovute allo “scambio” di altre particelle, dette “bosoni
vettori” dell’interazione
•
Si tratta di un salto logico piuttosto forte rispetto al modo che abbiamo di
percepire le forze a noi note per esperienza quotidiana (gravità,
magnetismo)
•
Lo scambio di questi bosoni vettori è governato da leggi fondamentali: il
nostro scopo è di comprenderle
– Una volta capito come le particelle di materia “sentono” i loro vicini, ci è possibile
formulare un modello delle “strutture” che si possono costruire con esse.
•
Ci servono alcune armi fondamentali nella nostra indagine. Vediamo quali
sono.
1- il principio di Occam
William of Ockham, monaco inglese del 14esimo secolo,
espresse una lex parsimoniae che è un fondamentale strumento
nella ricerca:
“Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem”
Ovvero, le spiegazioni economiche della natura che ci circonda
sono da preferirsi a quelle più fantasiose e complicate, che
introducano più assunzioni e postulati.
Questo principio è sottovalutato, ma i fisici delle particelle lo
posseggono nel proprio “patrimonio genetico”: è un modo rigoroso
di pensare e di ragionare sui fenomeni naturali.
2 – La classificazione
La classificazione è un potente strumento di analisi, utile in tutte le scienze.
– Identificare delle caratteristiche comuni degli oggetti che si studiano permette
di dividerli in classi
– Le proprietà di ogni nuovo oggetto identificato possono essere desunte dalla
sua appartenenza a una classe, per similarità con gli altri elementi già studiati
– Una eventuale struttura ripetitiva nell’organizzazione interna delle classi può
permettere di prevedere l’esistenza di nuovi elementi o anche di nuove classi,
e indovinarne a priori le caratteristiche.
•
Nel XIX secolo grazie alla classificazione delle sostanze note
e il lo studio quantitativo si comprese come la materia è
fatta di molecole di vari elementi, dotati di distinte
caratteristiche e proprietà
•
L’analisi chimica degli elementi conosciuti spinse gli
scienziati del tempo a cercarne un’organizzazione semplice,
una classificazione che potesse ricondurre a uno schema
semplice.
Mendeleev nel 1869 dimostrò che gli elementi, se organizzati secondo la massa atomica,
mostrano una periodicità nelle loro proprietà fisico-chimiche
La classificazione degli elementi nuovi permette di prevedere l’esistenza di elementi
ancora non scoperti, e le loro proprietà.
Usando la sua classificazione, Mendeleev previde l’esistenza di nuovi elementi come
germanio (eka-silicon) e gallio (eka-aluminum).
La classificazione come
metodo scientifico è un
paradigma di fondamentale
importanza anche per la
fisica nel XX secolo, come
vedremo.
3 – l’indagine spettroscopica
Le sostanze chimiche in forma gassosa, se eccitate,
emettono luce di particolari colori. Le lunghezze d’onda
sono misurabili con strumenti che le separino
spazialmente, come un prisma.
Gli spettri di emissione atomici sono un complicato labirinto
di molte diverse righe. Ogni “serie” di righe corrisponde a
un diverso valore dell’energia finale dell’atomo.
I livelli energetici dipendono dalle caratteristiche degli
atomi, per cui ogni atomo ha una carta d’identità, costituita
dalle sue righe di emissione. Un codice a barre!
Un’ultima arma fondamentale:
lo sviluppo tecnologico
• La scienza non può progredire
senza il supporto di una adeguata
tecnologia; la tecnologia non può
perfezionarsi senza passi avanti
della scienza
• Se guardiamo alla storia della
scienza, scopriamo uno sviluppo
logico di questi concetti: le due
discipline procedettero a braccetto
dall’invenzione della ruota ai giorni
nostri.
Il loro cammino fu però rallentato da “fattori di disturbo” per secoli: la religione e
le altre forme di superstizione, le guerre, le malattie, la miseria….
Potrebbe sembrare che dall’illuminismo in poi ne siamo usciti: eppure, questi
fattori di disturbo sono ancora intorno a noi e ritardano i progressi della ricerca.
Cosa c’è dentro ?
Per studiare le microstrutture si cerca di ingrandirne
l’immagine con un microscopio
• Vediamo una immagine ingrandita dell’oggetto da
studiare facendoci rimbalzare contro o passare
attraverso delle particelle di luce – i fotoni
• Non si può andare molto al di sopra di qualche migliaio di
ingrandimenti: si incontra il limite dovuto alla diffrazione
della luce
• Con fasci di elettroni si può fare molto meglio, ma
anche in quel caso si rimane limitati dallo stesso effetto a
circa 2 milioni di ingrandimenti.
– Ma per studiare come sono fatti gli atomi, serve un
ingrandimento ancor maggiore!
• La risposta è nell’aumentare l’energia del corpo con
cui si sonda la materia. Dobbiamo abbandonare
l’idea di formare una “immagine”, e utilizzare
invece l’interazione fra proiettile e bersaglio per
capire la struttura di quest’ultimo.
J.J.Thomson e l’elettrone
• Thomson nel 1897 scopre l’elettrone, con un tubo a raggi
catodici inventato pochi mesi prima da Karl Braun.
Misurando la deflessione dei raggi in un campo elettrico e
magnetico, ne determina il rapporto fra carica elettrica e
massa.
E’ un esperimento fondamentale anche per mostrare che è
il progresso tecnologico, di solito, a rendere possibile una
nuova scoperta.
Il tubo a raggi catodici è il precursore non solo del televisore che ave(va)te in casa,
ma anche degli strumenti che oggi usiamo per sondare la materia,
gli acceleratori di particelle.
Ernest Rutherford
e la struttura dell’atomo
•
Nel 1907 non c’era ancora la tecnologia necessaria a creare proiettili
dell’energia necessaria per sondare la struttura della materia, ma
Rutherford usa ciò che ha: i decadimenti di sostanze radioattive.
•
Nel famoso esperimento da lui diretto, le particelle alfa (nuclei di atomi
di elio, emessi da una sorgente radioattiva) vengono dirette contro una
sottile lamina d’oro
•
Con un cristallo scintillante è possibile osservare le particelle alfa
deviate dal fascio, a diversi angoli da esso
•
Se gli atomi sono formati da una “pappa” carica positivamente in cui
alloggiano gli elettroni, le pesanti particelle alfa dovrebbero
attraversare la lamina quasi indeflesse.
•
Invece, i suoi assistenti Geiger e Marsden osservano
che in rari casi le particelle alfa subiscono
“scattering” a grande angolo, alcune addirittura
rimbalzando indietro! E’ il segnale che gli atomi hanno
un nucleo duro all’interno.
a
a
a
sorgente
Questo esperimento è il precursore della fisica delle particelle –
tutti gli esperimenti agli acceleratori sono figli di esso.
lamina
d’oro
L’invenzione di una nuova scienza
I progressi teorici e sperimentali dell’inizio del XX secolo sono enormi
–
–
–
–
La relatività di Einstein
La formulazione della meccanica quantistica
La scoperta del nucleo, del neutrone, dell’antimateria
La teoria di Fermi dei decadimenti radioattivi
Negli anni ’30, si conoscono l’elettrone, il protone, e il neutrone. Si sa
descrivere la luce come formata da fotoni. Tutto pare chiaro e ben ordinato, ma
ben presto la ricerca fondamentale pone nuovi enigmi
Lo studio del decadimento del neutrone
porta Pauli a ipotizzare l’esistenza
di particelle invisibili, i neutrini.
E poi ci sono i raggi cosmici, nei quali
nel 1932 Andersson scopre il positrone,
l’antiparticella dell’elettrone: antimateria.
I raggi cosmici
• I raggi cosmici si manifestano come radiazione
ionizzante incidente sull’atmosfera: scoperti da Victor
Hess nel 1912 con esperimenti ad alta quota
• Si scopre negli anni ’30 che la radiazione primaria è
elettricamente carica (prima si pensava fossero fotoni);
oggi sappiamo che si tratta di protoni e nuclei leggeri.
• Nei raggi cosmici secondari viene scoperto il muone –
particella penetrante, con caratteristiche simili a quelle
dell’elettrone
Che c’azzecca il muone ?
disse Isidor Rabi…
Forse c’è di più da scoprire!
Il ciclotrone
Se esistono altre particelle oltre quelle
conosciute (elettroni, protoni, neutroni,
fotoni), deve essere possibile crearle in
laboratorio, disponendo di un
acceleratore sufficientemente potente
Infatti, l’equazione di Einstein E=mc2
prevede che in collisioni che liberino
sufficiente energia si possano
materializzare particelle massive
I progressi tecnologici vengono in
aiuto: Lawrence costruisce il primo
ciclotrone nel 1929.
Il ciclotrone è un disegno primitivo:
null’altro che un paio di elettrodi cavi
all’interno dei quali le particelle eseguono
traiettorie a spirale, accelerati da una
differenza di potenziale e tenuti in orbite
circolari da un intenso campo magnetico.
Un salto in avanti: il sincrociclotrone
•
•
•
L’evoluzione degli strumenti per accelerare le particelle (protoni e elettroni, ma
non solo) segna il passo delle più importanti scoperte in Fisica nel XX secolo
Dal ciclotrone di Lawrence si passa al betatrone, al sincrotrone, e poi al
sincro-ciclotrone...
Due concetti di base:
– 1) l’accelerazione avviene quando una particella carica attraversa una differenza di
potenziale (un campo elettrico)
– la massima d.d.p è limitata a un milione di volt delle due l’una:
• o si costruiscono migliaia di cavità acceleranti acceleratori lineari (LINAC)
• o si fa ripassare il fascio di particelle nelle stesse cavità molte volte acceleratori circolari
– Nel secondo caso servono potenti magneti per curvare le traiettorie delle particelle
• ma attenzione: cariche elettriche fatte curvare “irradiano” energia e decelerano
Servono quindi grandi dimensioni per tenere piccola la perdita di energia
•
Lo sviluppo tecnologico (materiali superconduttori, elettronica di controllo)
procede di pari passo con la costruzione di macchine sempre più potenti
Come rivelare le particelle ?
Tra gli anni ’30 e gli anni ’60 vengono scoperte
dozzine e dozzine di nuove particelle: è l’inizio di
una nuova scienza
Lo strumento principe per la rivelazione e lo
studio delle reazioni prodotte è la camera a
nebbia, poi migliorata nella camera a bolle
In una camera a nebbia, un vapore sovrasaturo
condensa in goccioline microscopiche lungo la
traiettoria delle particelle cariche ionizzanti
La camera a bolle usa invece un liquido
sovrariscaldato da una brusca variazione di
pressione in coincidenza con l’attraversamento
delle particelle ionizzanti
si formano bolle lungo le traiettorie.
Un intenso campo magnetico le curva in modo
inversamente proporzionale all’energia
Lo studio delle reazioni
•
•
•
•
La collisione di alta energia fra un protone accelerato da un ciclotrone e un
protone di un bersaglio può produrre nuove particelle
La cinematica relativistica permette di calcolare la massima massa M dei
corpi producibili in una collisione:
M2 = 2 m E
ove E è l’energia della particella incidente, m la massa del bersaglio
Si trova però che non tutte le reazioni energeticamente possibili hanno luogo:
vi sono delle quantità addizionali che si conservano, oltre all’energia e
l’impulso solo le reazioni che conservano queste quantità possono
avvenire
Dallo studio delle reazioni osservate e non, si trova che è necessario ad
esempio ipotizzare che il protone e il neutrone posseggano un numero
quantico additivo, che si conserva nelle reazioni: il numero barionico.
Non si può, ad esempio, creare un protone nella reazione
p+p p+p+p
(creo un protone dal nulla)
mentre la reazione
p+p p+p+p+anti-p
(creo un protone e un antiprotone)
non viola la conservazione del numero barionico – e infatti si osserva.
La classificazione delle particelle
• Con l’aumentare dell’energia disponibile nelle collisioni prodotte dagli
acceleratore, si scopre una messe di nuove particelle
– Tutte instabili, decadono in brevissimo tempo
– Sembrano organizzabili in famiglie, secondo il modo in cui vengono più
frequentemente prodotte, il modo in cui decadono, eccetera. Multipletti…
Una parola che dovrebbe far suonare un campanello
– I primi membri:
• i pioni p+,p-, p0 hanno massa intorno a 140 MeV e numero barionico B=0;
• i kaoni K+,K-,K0, di massa intorno ai 500 MeV, e pure B=0;
• i barioni D-, D0, D+, D++ hanno massa di poco superiore al GeV e B=1.
•
NB: “scoprire una particella” significa osservarne il decadimento
in corpi più leggeri, e dedurne da questi massa e altre caratteristiche.
NNB: in fisica delle particelle si usa come unita’ di energia e massa l’elettronvolt, eV,
e quantità derivate: il keV =1000eV, il MeV=1000 keV, il GeV=1000 MeV, il TeV=1000 GeV
Un protone “pesa” 0.93 GeV; un elettrone solo 0.5 MeV, ovvero 1800 volte meno.
Leptoni e Adroni
• Elettroni, muoni e neutrini non sono di solito prodotti nelle interazioni
primarie che si osservano grazie agli acceleratori. Essi appartengono a
una classe a parte
• Le particelle comunemente prodotte con grande intensità nelle
collisioni (pioni p, kaoni K, barioni D, S, …) sono diverse anche perché
soggette a rapidissima disintegrazione: sono altamente instabili.
• I primi, leggeri e debolmente interagenti, sono detti leptoni. Le seconde
sono chiamate adroni, in quanto soggette all’interazione forte.
• Si tratta di una classificazione che permette di prevedere l’occorrenza
di alcune reazioni, poi osservate, e la mancanza di altre, proibite dalla
conservazione di un nuovo numero quantico, il “numero leptonico”:
se non ho leptoni nello “stato iniziale” che genera la collisione, non posso
averne nello stato finale, a meno che non produca un egual numero di
antiparticelle degli stessi (antiparticelle hanno numero leptonico opposto).
Classi di decadimenti
– Il decadimento delle particelle è un concetto utile per aiutare la
divisione in classi: maggiore è la forza dell’interazione
responsabile della disintegrazione delle particelle, e più
rapidamente essa avviene
• Interazione forte: le particelle decadono in tempi di 10-20 s (un
centimiliardesimo di miliardesimo di secondo!) e inferiori
– Esempio: D++pp+
• Interazione elettromagnetica: le particelle decadono in tempi
intorno ai 10-15 secondi (un milionesimo di miliardesimo di
secondo)
– Esempio: il pione neutro p0gg
• Interazione debole: le particelle decadono in tempi di 10-10
secondi (un decimillesimo di milionesimo di secondo)
– Esempio: i pioni carichi p mn, i kaoni Kpen
La stranezza: il mistero si infittisce
Alcune particelle scoperte a partire dalla fine degli anni ’40 appaiono “strane”: sono
prodotte molto copiosamente –il che indica una produzione “forte”, ma decadono
molto lentamente –con tempi tipici delle interazioni “deboli”, quelle responsabili dei
decadimenti radioattivi.
Vengono chiamate Kaoni e Lambda, ma anche “V-particles” perché sono
caratterizzate dalle “V” che generano nelle fotografie in camera a bolle
Nuovamente è la classificazione a fornire una potenziale soluzione dell’enigma: si
scopre che le particelle “strane” sono prodotte in coppia, come le gambe della V.
Si ipotizza allora che vi sia un nuovo
numero quantico che le distingue dalle altre:
la stranezza S. Positiva e negativa per particelle
e antiparticelle strane, è additiva. Se S=0 all’inizio,
S=0 alla fine +1-1=0
p p p p K+ K- si osserva,
mentre p p p p p- K+ no;
p p KL pp pp si osserva
(vedi fotografia a destra),
p p KD non si osserva.
fascio di pioni
L’ipotesi dei quarks
La misura è colma negli anni ’60, gli indizi sono sufficienti.
Murray Gell-Mann nel 1964 concepisce l’esistenza di una
struttura soggiacente alla gran quantità di particelle fino
ad allora classificate
I mesoni e i barioni non sono altro che l'unione di due e
tre quarks, aventi numero barionico 1/3,
stranezza 0 o 1, e cariche elettriche +2/3, -1/3
Up (u), Down (d), Strange (s) sono i nomi loro assegnati
E’ una spiegazione economica!
u
d
s
Carica el.
2/3
-1/3
-1/3
Stranezza
0
0
1
Numero
barionico
1/3
1/3
1/3
Protoni, neutroni,
pioni, kaoni, e gli
altri adroni sono
tutti descrivibili
come somma di
due o tre quarks.
Simmetrie e strutture soggiacenti
Ogni mesone (B=0) è composto da una
coppia quark-antiquark:
K+ (u anti-s)
Q = 2/3 – (– 1/3) = 1
B = 1/3 – (1/3) = 0
S=0+1=1
Q = 1/3 – (– 1/3) = 0
B = 1/3 – (1/3) = 0
S= 0+1=1
K+ e K0 formano un “doppietto” e l’operazione
di scambio (u d) li trasforma uno nell’altro
K0 (d anti-s)
il tripletto di pioni ha stranezza 0, ed
è costituito da
p-(anti-u d), p0(anti-d d), p+(u anti-d)
Appare evidente una struttura, un gruppo di simmetria rispetto allo scambio di un
quark con l’altro. Le interazioni forti, responsabili della produzione degli adroni,
non distinguono il sapore dei loro quark: per esse ogni quark è uguale a un altro, e
l’operazione di scambio non modifica nulla
Simmetrie di barioni
I barioni sono terne di quarks:
p = (uud) ha B=1, S=0, Q = 2/3+2/3-1/3 = 1
n = (udd) ha B=1, S=0, Q = 2/3-1/3-1/3 = 0
Lo scambio di un quark u con un d è l’operazione
di simmetria che trasforma protone in neutrone
Consideriamo il decupletto barionico:
gli stati D++(uuu), D+(uud),D0(udd),D-(ddd)
si comportano allo stesso modo
Invece se studiamo lo scambio ds:
D-(ddd)S-(dds)X-(dss)W-(sss)
Alla W- si arriva anche da D++ facendo us:
D++(uuu)S+(uus)X0(uss)W-(sss)
E’ grazie a questo schema che la W- viene
ipotizzata, e poi scoperta: come il germanio!
La scoperta della WA Brookhaven nel 1964 un fascio di 5 GeV di K- interagisce coi protoni del
bersaglio generando la seguente sequenza:
K p W K K 0 X 0p Lp 0
Successivamente la lambda decade in protone e pione,e i due fotoni emessi dal pione
neutro convertono entrambi (caso raro) in coppie elettrone-positrone. La cinematica
permette di calcolare la massa della W, in ottimo accordo con le previsioni.
Il meccanismo GIM
• L’ipotesi di Gell-Mann rimane un artificio matematico per un decennio.
• Intanto Glashow, Iliopoulos e Majani, tre fisici teorici, nel 1970 hanno un
cruccio: se calcolano la probabilità di decadimento di un mesone K neutro
in due muoni, trovano un valore in contrasto con le osservazioni: il
decadimento Kmm non si osserva, ma dovrebbe! A meno che…
• Se esiste un quarto quark c (c sta per charm, fascino), il suo effetto sul
decadimento studiato sarebbe di cancellarlo quasi completamente! Ma
deve essere pesante, più del protone… Altrimenti i conti non tornano: un
quarto quark leggero non basterebbe a spiegare la mancanza di
decadimenti Kmm .
• I tre fisici prevedono così l’esistenza di un quarto quark. Questo può
implicare che si possano produrre nuove particelle che lo contengono...
La rivoluzione di novembre
Dunque i quarks non sono tre ma quattro ?
Nel 1974 due esperimenti concorrenti, guidati da Burton
Richter (a destra) e Samuel Ting (in basso), identificano
una particella finora sconosciuta, chiamata J/ψ e di
massa pari a 3.1 GeV. La J/ψ decade in coppie di muoni,
ed ha tutte le caratteristiche che ci si aspetta dalla
composizione di due quarks pesanti!
5 premi nobel per il charm!
La J/ψ viene immediatamente
riconosciuta come uno stato
legato di due quarks charm. Il
modello a quarks trionfa!
Come è possibile
convincersi che la
nuova particella è
formata da due
quark charm ?
…Con la spettroscopia!
Proprio come lo studio degli spettri atomici ci permette di
determinare i livelli energetici permessi a un elettrone in
orbita attorno a un nucleo, così lo studio dello spettro di
massa degli stati eccitati del charmonio – i vari stati simili
alla J/ψ – permette di verificare che il modello fisico (stato
legato di due quark charm) è accurato!
Si scopre che i livelli
energetici del charmonio
hanno struttura identica a
quelli del positronio, stato
legato elettrone-positrone,
nonostante vi siano otto ordini
di grandezza di differenza fra
le energie dei due stati!
Infatti, la struttura del
positronio e quella del
charmonio è identica: si tratta
di corpi composti da due
fermioni di eguale massa, in
orbita l’uno intorno all’altro.
Ricordate il codice a barre ?
E i quarks sono sei !
• La scoperta del charm convince tutti: i quarks sono corpi reali, non
artifici matematici
• I corpi elementari che costituiscono la materia sono dunque quarks e
leptoni
• Ma i quarks non sono 4, bensì 6 ! E qualcuno lo aveva previsto fin dal
1973: Kobayashi e Maskawa (2 premi nobel per la loro idea)
Solo con almeno sei quarks si può spiegare una caratteristica dei mesoni
K scoperta nel 1964: la violazione della simmetria CP (altri 2 premi nobel)
• A partire dal 1974, tutti si mettono a caccia dei due rimanenti quarks: il
bottom e il top.
• E anche del terzo leptone carico, chiamato tau.
• Il quark bottom viene scoperto nel 1977, e il quark top nel 1995 –
entrambi al laboratorio Fermilab di Chicago
• Il leptone tau viene invee scoperto dalla stessa macchina che ha
trovato la J/ψ, SLAC nel 1975 – un premio nobel anche per Martin Perl
E le forze ? 1 – La QCD
•
•
L’interazione forte, responsabile della stabilità degli adroni, è descritta da
una teoria chiamata Cromodinamica Quantistica (QCD). I quarks
interagiscono scambiandosi particelle vettori della forza, otto gluoni
I gluoni non hanno massa, e scambiano il colore dei quarks (la loro “carica”).
g
q
q
q
q’
q’
q
•
•
Una caratteristica dell’interazione forte è che la sua energia potenziale
aumenta linearmente con la distanza, come quella di una molla
Ne deriva che non si possono separare i quarks fra di loro!
Se infatti immaginiamo di “tirare” due
quarks allontanandoli, dobbiamo esercitare
una sempre maggiore forza per separarli
Spendiamo dell’energia che a un certo punto
è sufficiente alla creazione di due nuovi
quarks, che si ricombinano con i precedenti!
Evidenza dell’interazione forte: Jets adronici
•
•
I quarks e i gluoni non possono vivere liberi, a causa del confinamento del colore
Se “scalciati” fuori dai protoni ad altissima energia, i quarks e gluoni estendono una stringa di
colore, che si rompe, frammentano in un gran numero di adroni: l’energia del loro moto si
converte in massa delle particelle prodotte
La frammentazione crea un fiotto collimato di particelle
•
Misurando l’energia e la direzione dei corpi prodotti si può risalire all’energia iniziale del quark
o gluone che ha dato origine al jet
2 - L’interazione debole
Il modello di Fermi del decadimento b non è sufficiente a spiegare la
fenomenologia delle interazioni deboli (decadimenti di adroni e muoni)
Serve lavorare in analogia all’elettrodinamica quantistica, sviluppata negli anni ’50
e già verificata da esperimenti precisissimi. In essa, l’interazione elettromagnetica
è ricondotta allo scambio di fotoni.
E’ quindi economico supporre che
l’interazione debole derivi
dallo scambio di bosoni W,
di massa elevata.
Decadimento del π
Decadimento del μ
Tuttavia, con i soli bosoni W la teoria non sta in piedi. Alla fine degli anni ’60 nasce
il modello elettrodebole di Glashow, Salam e Weinberg: l’interazione
elettromagnetica e quella debole vengono concepite come due manifestazioni di
un solo meccanismo.
Se la descrizione è corretta, devono esistere bosoni deboli neutri!
La teoria GSW è economica (Ockham non protesta), è elegante, e
nel 1971 viene provata la sua consistenza teorica. Ma serve una
verifica sperimentale...
Alla ricerca dei bosoni W e Z
•
Bisogna aspettare 10 anni per osservare direttamente
la creazione e il decadimento di queste particelle,
fondamentali ingredienti del modello elettrodebole
•
Nel 1983, gli esperimenti UA1 e UA2 al CERN fanno
finalmente centro; l’anno seguente Rubbia e Van der
Meer ottengono il premio Nobel per la Fisica
3 – l’interazione elettromagnetica
•
L’interazione elettromagnetica è trasportata dal
fotone, particella priva di massa l’interazione ha un
range infinito
•
Nel modello standard il fotone, la Z, il W+ e il W- sono
quattro diversi bosoni che provengono dalla stessa
interazione, “elettrodebole”.
•
Il fotone media interazioni fra particelle con carica
elettrica: non si accoppia a particelle neutre.
Quello che i fisici delle particelle chiamano “fotone” è il quanto della
radiazione elettromagnetica. Le proprietà corpuscolari del fotone sono
più evidenti ad alta energia, mentre a bassa energia sono più efficaci le
descrizioni ondulatorie.
Ma anche quando telefonate con un telefono cellulare,
ricevete e emettete fotoni !
4 – E la gravità ?
•
L’interazione gravitazionale non è compresa nel modello standard. Non è necessario
considerare la gravità per comprendere la fenomenologia delle particelle elementari
Si tratta di una tipica “approssimazione fisica”: quello che non è rilevante si
trascura, per semplificare la descrizione dei fenomeni naturali
La gravità è ridicolmente più debole delle altre forze. Il problema della sua
descrizione assieme alle altre tre forze costituisce uno dei grandi enigmi
ancora da risolvere.
Il Modello Standard
Il modello GSW, unito al meccanismo di
rottura della simmetria elettrodebole
ipotizzato da Peter Higgs – una
spiegazione teorica del motivo
per cui W e Z hanno grande massa mentre
il fotone rimane a massa nulla – costituisce
quello che chiamiamo Modello Standard.
Tre famiglie di quarks, e tre famiglie di
leptoni, costituiscono la materia
Le interazioni forti sono mediate da 8 gluoni g
Le interazioni elettromagnetiche dal fotone γ
Le interazioni deboli dai bosoni W e Z
La gravità non è inclusa nel modello
Le ricerche ai moderni colliders
• Il modello standard è un potentissimo strumento di
calcolo, di enorme potere predittivo
– I decadimenti, le reazioni di produzione, le leggi di
conservazione, la classificazione delle particelle sono
perfettamente spiegate da esso
– Si osserva tutto –e solo– ciò che il modello predice, e con le
caratteristiche quantitative calcolate.
– Alla fine degli anni ’80 mancano all’appello i corpi più pesanti, e
difficili da produrre: il quark top –che continua ad eludere le
ricerche fino al 1995 – e il bosone di Higgs!
– Per produrre questi stati servono gadgets più potenti!
•
•
•
•
LEP (91 GeV), poi aumentato in potenza (LEP II, fino a 208 GeV)
Tevatron, anch’esso migliorato (Run I Run II, 1.8 2 TeV)
LHC (7813 TeV)
SSC, cancellato dal governo americano nel 1993 (40 TeV)
Il bosone
di Higgs
• E’ la conseguenza osservabile del meccanismo di rottura
spontanea della simmetria elettrodebole, cardine del
modello standard
– Non esistono altri meccanismi consistenti con il modello
standard per spiegare la massa dei bosoni vettori
• Ipotizzato a metà degli anni sessanta, è stato finalmente
scoperto da CMS e ATLAS nel 2012
• Ancora una volta la Natura sembra obbedirci ! Ma la realtà
è che l’esistenza del campo di Higgs era l’unica
spiegazione logica, economica, elegante di quanto si era
osservato.
ATLAS E CMS:
LE MACCHINE
DI NUOVA FISICA
I gadgets del futuro
Le dimensioni dei rivelatori costruiti al CERN
(ATLAS e CMS) sono sbalorditive
Per progettare questi strumenti ci si è basati sulla
estrapolazione delle tecnologie esistenti,
scommettendo sul futuro !
Ciascun esperimento conta più di 3000 partecipanti
LHC è stato costruito per scoprire il bosone di Higgs, e questo è già “in the bag”. Tuttavia per
molti sarà un successo solo se LHC scoprirà fisica oltre il modello standard...
Altrimenti, sarà estremamente difficile giustificare la costruzione di nuove macchine più
potenti, in grado di farci vedere ancora più in profondità
Il rivelatore CMS
•
CMS (Compact Muon Solenoid) è stato costruito con in
mente un goal fondamentale: la scoperta del bosone di
Higgs
•
Ovviamente però si tratta, come ormai ogni moderno
rivelatore, di uno strumento multipurpose, che può
“vedere” ogni dettaglio delle particelle prodotte
•
Si tratta di una impresa ciclopica – ATLAS e CMS sono
considerati la più colossale e complessa impresa della
tecnologia umana
CMS inside-out
I rivelatori di oggi – in una slide
• Dalle camere a bolle degli anni 60 abbiamo fatto
notevoli passi avanti...
• I rivelatori ai colliders oggi utilizzano tecnologie
molto avanzate
– Tracciatori: l’evoluzione delle camere a bolle, in
cui elettroni e ioni prodotti dalle particelle cariche
in moto in un gas vengono accelerati da un campo
elettrico e raccolti da fili sensibili precisione
tipica di 100 micron
– Rivelatori al silicio: invece di un gas, si tratta di
sottili strati di silicio dove gli elettroni liberati dalla
ionizzazione vengono letti da sottilissime striscie
sensibili precisione di pochi micron
– La curvatura nel campo magnetico determina
l’impulso delle particelle cariche, ma quelle neutre
come vengono viste e misurate ?
– dai Calorimetri: lastre di piombo o ferro
intervallate da scintillatori. Distruggono le particelle
misurandone l’energia dal numero di corpi
secondari prodotti !
Come si misurano i jets ?
•
I calorimetri sono sensibili sia a particelle cariche che neutre,
tranne quelle che interagiscono solo debolmente con la materia
•
Nei calorimetri e.m. si misura il numero totale di corpi secondari
prodotti in una cascata elettromagnetica e l’energia è
proporzionale a questo numero !
Nei calorimetri adronici i processi sono più complessi ma il
concetto è lo stesso
•
•
•
La corretta misura dell’energia dei jet permette di ricostruire il
decadimento di particelle massive
La misura dell’energia è anche fondamentale per ricostruire bene
l’energia mancante, che può segnalare un neutrino o altra
particella non interagente
La Scoperta del Bosone di Higgs
• Per produrre il bosone di
Higgs, ed osservarne i
decadimenti, servono MOLTE
collisioni di alta energia: la
probabilità di produrlo in ogni
collisione è inferiore a una su
un miliardo:
P(ppH)=3*10-10
• Inoltre, solo alcuni dei
decadimenti possibili possono
essere distinti con successo
dai processi di fondo:
– HZZ μμμμ
– H γγ
– Η WW eνμν
• Si tratta quindi della classica
ricerca dell’ago nel pagliaio...
Le collisioni vengono raccolte da
elettronica veloce, e gli eventi che
assomigliano di più a ciò che ci si
aspetta dal decadimento di un bosone
di Higgs vengono selezionati
Viaggio alla scoperta della natura della
massa – il campo di Higgs
Distribuzioni di Massa Ricostruita
• L’attributo fondamentale più evidente di
una particella è la sua massa.
– Questa può essere misurata usando l’energia
dei prodotti del suo decadimento
• Eventi di segnale hanno tutti la stessa
massa M=MH, e perciò creano un “picco”
nell’istogramma di masse ricostruite
– Stati finali diversi soffrono di contaminazioni di
fondo diverse. Hγγ ha un fondo molto grande,
HZZ un fondo più contenuto
• Un’analisi statistica decide poi quanto
significativo è un picco osservato nei dati.
– Per poter dichiarare di aver osservato una
nuova particella ci si accontenta solo di segnali
che possono verificarsi per caso solo con una
probabilità p<3*10-7 !
Sottraendo
il fondo
previsto si
vede meglio
il segnale !
Studi sull’Higgs
Il segnale
Hγγ di CMS
Ora che lo abbiamo
scoperto, misuriamo in
dettaglio tutte le
caratteristiche che
possiamo, confrontandole
con le attese cerchiamo
discrepanze ! Finora però
non ne abbiamo trovata
nessuna.
“If it walks like a duck and
quacks like a duck...”
L’incompletezza del Modello Standard
• Nonostante i suoi enormi successi, il Modello Standard non è del tutto
soddisfacente
– Vi sono ben 25 parametri liberi di cui non è data spiegazione: le masse di
quarks e leptoni, la forza degli accoppiamenti…
– Non è data alcuna spiegazione della interazione gravitazionale
– La teoria soffre di problemi di autoconsistenza
• Cosa c’è oltre ?
– GUT, teorie che cercano di unificare la QCD con le interazioni elettrodeboli
e la gravità
– Supersimmetria: una ipotizzata simmetria fra particelle a spin ½ (leptoni e
quarks) e particelle a spin intero (bosoni vettori). Implica l’esistenza di un
“superpartner” per ogni particella elementare conosciuta
– Superstringhe: le particelle elementari sono stringhe vibranti in un mondo
a 10 dimensioni
• Teoria affascinante ma senza alcun potere predittivo!
– Leptoquarks, technicolor, large extra dimensions, preoni…
LHC forse risponderà a questa domanda.
Due parole su SUSY
La supersimmetria, inventata nei primi anni ’70, è una
teoria –o meglio un framework- che prevede
l’esistenza di “superpartners” per ciascuna delle
particelle del MS
SUSY ha tre caratteristiche che la rendono molto
interessante:
– L’evoluzione delle tre costanti di accoppiamento
fondamentali del modello standard dipende dalle
particelle esistenti nella teoria. Con le particelle
supersimmetriche, le tre costanti diventano eguali
alla stessa scala energetica
– La massa del bosone di Higgs riceve grandi
correzioni quantistiche divergenti che vengono
rinormalizzate. MH è “non naturale” e non stabile
rispetto a queste correzioni. L’aggiunta delle particelle
supersimmetriche “stabilizza” il campo di Higgs.
– SUSY “prevede” l’esistenza del neutralino, che
potrebbe essere ciò di cui è fatta la materia
oscura nell’universo!
E se invece di SUSY… ?
• A dispetto delle sue accattivanti
proprietà e del fatto che la
supersimmetria fornisce un candidato
ideale per la materia oscura, con
massa “prevista” dalla coincidenza di
scala fra sezioni d’urto delle interazioni
deboli e materia mancante
nell’universo, non siamo obbligati a
crederci!
• Il rasoio di Occam in effetti dovrebbe
farci riflettere:
“Entia non sunt multiplicanda praeter
necessitatem”
Se c’è un esempio più eclatante di una teoria
che calpesta questo principio, vorrei
conoscerlo!!
Di cosa è fatta la materia oscura ?
•
A parte SUSY, esistono molti altri modelli di fisica oltre il modello standard che
comprendono uno o più candidati di materia oscura :
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UED KK gravitons
RS KK gravitons
sneutrino
gravitino
little higgs
assioni
buchi neri primordiali
champs
neutrini pesanti
neutrini sterili
you name it
?
•
Buona parte di questi stati dà un segnale identificabile a LHC tramite l’analisi
inclusiva dello spettro di energia trasversa mancante. Alcuni modelli si confondono
con SUSY…
•
Le ricerche “signature-based” sono fondamentali in questa situazione per stabilire
l’esistenza di nuova fisica, ma la maggior parte del lavoro comincerà dopo, quando
bisognerà cercare di capire con che teoria abbiamo a che fare.
E le Extra Dimensioni ?
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Fra le teorie che estendono il modello standard, ve ne sono alcune
che suggeriscono l’esistenza di dimensioni addizionali dello spaziotempo
Le extra dimensioni sono come “arrotolate su se stesse”, e noi non ne
abbiamo esperienza sensoriale
La motivazione teorica delle teorie LED è di spiegare la debolezza
della gravità rispetto alle altre forze
Noi viviamo un una “brane”, una ipersuperficie di questo spazio
multidimensionale; le forze sono ristrette in uno strato sottile
La gravità si “estende” nelle dimensioni addizionali (bulk),
“spargendo” la sua intensità in un volume maggiore.
Si può investigare la correttezza di questa teoria studiando la gravità a
distanze piccole (inferiori al millimetro) – sperimentalmente difficile!
Si può però pensare che a LHC produrremo
eventi in cui una particella viene prodotta e
“sfugge” nel bulk
Vi sono grandi quantità di studi sulla possibilità
che vi siano extra dimensioni, e che siano
accessibili alle energie di LHC –se hanno
ragione, lo sapremo presto.
CONCLUSIONI
• La fisica fondamentale è affascinante
• Va a braccetto con la tecnologia di punta, e spesso le
necessità degli esperimenti portano a avanzamenti
tecnologici significativi
• Con la fisica delle particelle possiamo sperare di capire
come davvero funziona il mondo, e come è nato
l’universo
• Le possibili scoperte di LHC potrebbero cambiare la
nostra vita in maniera impredicibile oggi
Siamo alla vigilia di una nuova rivoluzione scientifica ?
Forse si... e forse no.
E qual è il futuro della fisica delle particelle ???
Il futuro della fisica
• Il futuro della fisica delle particelle…
SIETE VOI!
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Il modello standard è insufficiente
Servono nuove idee (quelle vecchie muoiono con le persone che le sostengono)
-
Il panorama teorico è contraddittorio e fermo da 30 anni
-
Ma la tecnologia avanza a ritmo inarrestabile!
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Vi piace la Fisica ? Siete affascinati dallo scoprire come funzionano le cose ? Allora
non vi spaventate, studiatela!
Scoprirete che i fisici non sono “geni”, ma persone comuni con una dedizione alla
ricerca scientifica e la voglia di scoprire l’ignoto
Anche voi potete diventare scienziati !
-
Fra tre-quattro anni potreste laurearvi con una tesi sulla nuova fisica di LHC, e fra
sette-otto anni qualcuno di voi potrebbe lasciare il segno con una tesi di dottorato
importante
Non diventerete ricchi, ma diventerete sapienti, girerete il mondo, conoscerete
persone straordinarie, e metterete le mani su strumenti fantascientifici…
E se avete altre curiosità...
• Vi invito a contattarmi se avete domande di qualunque tipo anche via
mail, o nel mio blog
– il blog racconta da vicino la ricerca in fisica delle particelle,
cercando (a volte riuscendoci) a mantenersi a un livello di
spiegazione adatto a tutti
– è un mezzo “orizzontale” di comunicazione: nei threads dei posts
si instaurano spesso discussioni interessanti tra autore e lettori
• Sito web: http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor
• E-mail: [email protected] oppure [email protected]
